新立城水庫大壩滲流安全監測系統設計
［摘 要］ 本文對新立城水庫大壩滲流安全監測系統的布點及所選用的裝置進行了綜合比較和研究，通過合理選擇裝置保證了大壩監測系統的穩定執行，具有可操作性。
［關鍵詞］ 大壩安全監測； 裝置； 選型
１工程概況
新立城水庫位於吉林省伊通河中上游，距長春市區１６ｋｍ，控制流域面積１ ９７０平方公里，總庫容５．９２億立方米，是一座以防洪、供水為主的大型水庫。水庫按百年一遇洪水設計，按可能最大洪水校核。樞紐工程包括大壩、輸水洞和溢洪道等主要建築物。
２大壩滲流監測系統建設必要性
雖然新立城水庫大壩現有安全監測設施對揭示水庫存在的問題和保證大壩安全執行發揮了重要作用，但監測專案設定仍存在不足，不能適應新立城水庫工程管理技術進步的要求；本次除險加固後，原設滲流監測設施無法全部保留，也不滿足《土石壩安全監測技術規範》（ＳＬ６０—１９９４）的要求，主要表現為：
（２） 在目前條件下減壓井能起到一定的排水減壓作用，但灌漿體建立後，減壓井功效將發生根本的改變，應視具體情況更新監測方案。滲流量監測將以總堰為主進行監測。
３滲流監測系統技術方案設計
３．１滲流監測斷面及測點設計
大壩除險加固主體工程為壩基高噴灌漿，其主旨為根治大壩壩基滲透隱患。對於灌漿完工後的防滲效果以及大壩滲流場的變化情況，均需要有針對性地在特定的位置安裝監測設施，對其工程效果進行監測。
（１） ０＋４０５斷面。大壩０＋０００~０＋４００樁號處於壩址河道岸坡段，此壩段滲流隱患屬於次要部位，建壩時未清至壩基風化岩石，基礎仍為強透水層。儘管庫區天然及淤積覆蓋深厚，但瞭解壩基灌漿效果還是必要的。因此，此斷面僅在灌漿斷面前後各佈置一個測點，監測其灌漿效果。
（２） １＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５斷面。大壩１＋２００~２＋２００樁號處於壩址河床段，壩高超過１５米。此壩段是大壩變形較大的壩段，也是壩基滲透隱患嚴重的壩段，應予以重點監測。因此，在１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５樁號各佈置一個監測斷面。其中，１＋４０５和２＋００５斷面佈置及監測目的與０＋４０５斷面相同；１＋２０５斷面佈置3條監測垂線，分別位於灌漿斷面前、後及下游馬道，每條垂線壩基壩體各佈置一個測點，監測高壓灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分佈和壩體浸潤線。１＋５９１斷面佈置4條監測垂線，灌漿斷面前、後各一個鑽孔，每孔壩基壩體各設一個測點，監測高壓灌漿效果，每條垂線壩基壩體各佈置一個測點，監測灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分佈和壩體浸潤線。下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監測系統測點，監測壩基滲流壓力分佈和壩體浸潤線；１＋８０５斷面佈置4條監測垂線，灌漿斷面前、後佈置與１＋５９１斷面佈置和監測目的相同，下游馬道垂線上佈置一個壩體測點，監測壩體浸潤線，下游壩腳外壩基佈置一個測點，與灌漿斷面前、後壩基測點形成壩基監測斷面，監測本斷面壩基滲流壓力分佈情況；１＋９１１斷面灌漿斷面前壩基設一個測點，下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監測系統測點，本斷面3測點均為壩基測點，旨在監測灌漿在壩基的防滲效果。
（３） ２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面。大壩２＋２００~２＋６００樁號為壩址主河槽段，亦即最大壩高段，是大壩滲流監測的重點壩段。為此，在２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面各佈置一個完整監測斷面，監測壩基壩體滲流壓力狀態。其中２＋２０１、２＋４０１斷面基於原滲流斷面佈置，並儘量利用原系統有效測點。
上述滲流監測斷面及佈設滲流測點構成大壩滲流監測體系，基於其監測成果，對大壩壩基、壩體滲流壓力平面分佈狀態進行總體評價。
３．２大壩滲流監測系統儀器選型
大壩滲流安全監測和管理自動化系統，採用分散式自動化資料採集系統，各斷面測點滲流監測資料傳入從站的ＭＣＵ，從站ＭＣＵ資料無線傳輸到設在水庫管理局工程管理處總控制室控制主站。
３．２．１儀器選型原則
掌握儀器的使用條件，瞭解其應用歷史，包括儀器應用歷史、正常使用年限、使用環境、故障率、準確度、精度等；考察生產廠家的生產能力，售後保證條件；足夠的可靠性、耐久性及滿足工程需要的使用精度要求；必須根據工程性態的預測結果、物理量的變化範圍、使用條件、使用年限及價效比確定儀器型別、型號、量程及精度等級等。
３．２．２滲流壓力監測儀器
滲流壓力監測儀器品種和型別較多，有振弦式、差動電阻式、電阻應變片式以及電感式、氣動式等型別，國內外生產廠家知名的就有２０餘家。各孔隙水壓力計的效能指標和穩定性各有特點，通過效能價格比的綜合比較，新立城水庫大壩滲流監測所用孔隙水壓力計選用美國ＧＥＯＫＯＮ公司生產的振弦式４５００系列孔隙水壓力計。該類感測器全部採用受溫度影響最小的不鏽鋼元件製造，振弦元件設在焊接成的真空密封腔內，鋼弦的兩端採用特殊鍛壓工藝技術固定，標準透水石是用帶５０微米小孔的不鏽鋼製成，從而保證了產品的高穩定性和微型化，具有堅固耐用、外形尺寸小、安裝簡便、測值穩定可靠、精度和解析度高等特點，因而在國內許多大型水利工程中得到應用，如二灘水電站、三峽水利樞紐、丹江口水電站、葛洲壩樞紐、官廳水庫、黃碧莊水庫、潘家口水利樞紐、萬家寨引黃入晉工程、豐滿水電站等近百個水利工程的安全監測，取得了較好的監測效果。
３．３測控單元（ＭＣＵ）選型
３．３．１選型原則
大壩安全監測自動化系統起步於２０世紀８０年代，在９０年代得到較大的發展，國內外均有成熟的產品問世並在實際應用中日臻完善。考慮到進口產品雖在效能上具有較大的優勢，但其價位高、維護不及時且對操作管理人員要求高（英文操作軟體），建議大壩測控單元選用國內產品。
３．３．２本系統建議ＭＣＵ選型
依據新立城水庫大壩滲流監測系統工程的特點以及系統建設先進性的要求，資料採集單元（ＭＣＵ），選用基康儀器（北京）有限公司生產的測量控制單元ＢＧＫ－ＭＩＣＲＯ－４０ＭＣＵ。
４結語
新立城水庫大壩安全監測系統的建立，實現了工程監測自動化，為指導工程安全執行提供了可靠的依據，系統整體效能國內先進國際一流，可供有關科研和設計部門借鑑。
［關鍵詞］ 大壩安全監測； 裝置； 選型
１工程概況
新立城水庫位於吉林省伊通河中上游，距長春市區１６ｋｍ，控制流域面積１ ９７０平方公里，總庫容５．９２億立方米，是一座以防洪、供水為主的大型水庫。水庫按百年一遇洪水設計，按可能最大洪水校核。樞紐工程包括大壩、輸水洞和溢洪道等主要建築物。
２大壩滲流監測系統建設必要性
雖然新立城水庫大壩現有安全監測設施對揭示水庫存在的問題和保證大壩安全執行發揮了重要作用，但監測專案設定仍存在不足，不能適應新立城水庫工程管理技術進步的要求；本次除險加固後，原設滲流監測設施無法全部保留，也不滿足《土石壩安全監測技術規範》（ＳＬ６０—１９９４）的要求，主要表現為：
（２） 在目前條件下減壓井能起到一定的排水減壓作用，但灌漿體建立後，減壓井功效將發生根本的改變，應視具體情況更新監測方案。滲流量監測將以總堰為主進行監測。
３滲流監測系統技術方案設計
３．１滲流監測斷面及測點設計
大壩除險加固主體工程為壩基高噴灌漿，其主旨為根治大壩壩基滲透隱患。對於灌漿完工後的防滲效果以及大壩滲流場的變化情況，均需要有針對性地在特定的位置安裝監測設施，對其工程效果進行監測。
（１） ０＋４０５斷面。大壩０＋０００~０＋４００樁號處於壩址河道岸坡段，此壩段滲流隱患屬於次要部位，建壩時未清至壩基風化岩石，基礎仍為強透水層。儘管庫區天然及淤積覆蓋深厚，但瞭解壩基灌漿效果還是必要的。因此，此斷面僅在灌漿斷面前後各佈置一個測點，監測其灌漿效果。
（２） １＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５斷面。大壩１＋２００~２＋２００樁號處於壩址河床段，壩高超過１５米。此壩段是大壩變形較大的壩段，也是壩基滲透隱患嚴重的壩段，應予以重點監測。因此，在１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５樁號各佈置一個監測斷面。其中，１＋４０５和２＋００５斷面佈置及監測目的與０＋４０５斷面相同；１＋２０５斷面佈置3條監測垂線，分別位於灌漿斷面前、後及下游馬道，每條垂線壩基壩體各佈置一個測點，監測高壓灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分佈和壩體浸潤線。１＋５９１斷面佈置4條監測垂線，灌漿斷面前、後各一個鑽孔，每孔壩基壩體各設一個測點，監測高壓灌漿效果，每條垂線壩基壩體各佈置一個測點，監測灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分佈和壩體浸潤線。下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監測系統測點，監測壩基滲流壓力分佈和壩體浸潤線；１＋８０５斷面佈置4條監測垂線，灌漿斷面前、後佈置與１＋５９１斷面佈置和監測目的相同，下游馬道垂線上佈置一個壩體測點，監測壩體浸潤線，下游壩腳外壩基佈置一個測點，與灌漿斷面前、後壩基測點形成壩基監測斷面，監測本斷面壩基滲流壓力分佈情況；１＋９１１斷面灌漿斷面前壩基設一個測點，下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監測系統測點，本斷面3測點均為壩基測點，旨在監測灌漿在壩基的防滲效果。
（３） ２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面。大壩２＋２００~２＋６００樁號為壩址主河槽段，亦即最大壩高段，是大壩滲流監測的重點壩段。為此，在２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面各佈置一個完整監測斷面，監測壩基壩體滲流壓力狀態。其中２＋２０１、２＋４０１斷面基於原滲流斷面佈置，並儘量利用原系統有效測點。
上述滲流監測斷面及佈設滲流測點構成大壩滲流監測體系，基於其監測成果，對大壩壩基、壩體滲流壓力平面分佈狀態進行總體評價。
３．２大壩滲流監測系統儀器選型
大壩滲流安全監測和管理自動化系統，採用分散式自動化資料採集系統，各斷面測點滲流監測資料傳入從站的ＭＣＵ，從站ＭＣＵ資料無線傳輸到設在水庫管理局工程管理處總控制室控制主站。
３．２．１儀器選型原則
掌握儀器的使用條件，瞭解其應用歷史，包括儀器應用歷史、正常使用年限、使用環境、故障率、準確度、精度等；考察生產廠家的生產能力，售後保證條件；足夠的可靠性、耐久性及滿足工程需要的使用精度要求；必須根據工程性態的預測結果、物理量的變化範圍、使用條件、使用年限及價效比確定儀器型別、型號、量程及精度等級等。
３．２．２滲流壓力監測儀器
滲流壓力監測儀器品種和型別較多，有振弦式、差動電阻式、電阻應變片式以及電感式、氣動式等型別，國內外生產廠家知名的就有２０餘家。各孔隙水壓力計的效能指標和穩定性各有特點，通過效能價格比的綜合比較，新立城水庫大壩滲流監測所用孔隙水壓力計選用美國ＧＥＯＫＯＮ公司生產的振弦式４５００系列孔隙水壓力計。該類感測器全部採用受溫度影響最小的不鏽鋼元件製造，振弦元件設在焊接成的真空密封腔內，鋼弦的兩端採用特殊鍛壓工藝技術固定，標準透水石是用帶５０微米小孔的不鏽鋼製成，從而保證了產品的高穩定性和微型化，具有堅固耐用、外形尺寸小、安裝簡便、測值穩定可靠、精度和解析度高等特點，因而在國內許多大型水利工程中得到應用，如二灘水電站、三峽水利樞紐、丹江口水電站、葛洲壩樞紐、官廳水庫、黃碧莊水庫、潘家口水利樞紐、萬家寨引黃入晉工程、豐滿水電站等近百個水利工程的安全監測，取得了較好的監測效果。
３．３測控單元（ＭＣＵ）選型
３．３．１選型原則
大壩安全監測自動化系統起步於２０世紀８０年代，在９０年代得到較大的發展，國內外均有成熟的產品問世並在實際應用中日臻完善。考慮到進口產品雖在效能上具有較大的優勢，但其價位高、維護不及時且對操作管理人員要求高（英文操作軟體），建議大壩測控單元選用國內產品。
３．３．２本系統建議ＭＣＵ選型
依據新立城水庫大壩滲流監測系統工程的特點以及系統建設先進性的要求，資料採集單元（ＭＣＵ），選用基康儀器（北京）有限公司生產的測量控制單元ＢＧＫ－ＭＩＣＲＯ－４０ＭＣＵ。
４結語
新立城水庫大壩安全監測系統的建立，實現了工程監測自動化，為指導工程安全執行提供了可靠的依據，系統整體效能國內先進國際一流，可供有關科研和設計部門借鑑。